Biprisma Ionen-Interferometrie mit geladenen Atomen und Molekülen zur Messung der Aharonov-Bohm Effeke für Teilchen mit innerer Struktur

• Antragsteller: Dr. Alexander Stibor
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 177931739

Experimente mit Materiewellen von kohärenten, freien Elektronen stellen derzeit ein expandierendes Forschungsgebiet dar. Dies wird motiviert von zahlreichen technologischen Neuerungen bezüglich der Strahlquelle, der Stahlmanipulation und der Detektion. Das Ziel dieses Emmy Noether-Projekts ist die Anwendung der Interferometrie mit Elektronen und Ionen in Zusammenhang mit der Aharonov-Bohm Physik, der Sensorik und der Dekohärenz. Dafür wird ein Biprisma-Ionen-Interferometer für Helium und Wasserstoff realisiert. Es wurde eine kohärente und intensive Einatomspitzen-Strahlquelle, deren Ausgangspunkt für die Emission nur ein einziges Atom ist, erstmals in der Biprisma-Interferometrie eingesetzt. Außerdem wurde eine Methode entwickelt, den Einfluss von dephasierenden, externen Störungen, wie beispielsweise mechanische und elektromagnetische Schwingungen oder Temperaturdrifts, durch eine Korrelationsanalyse der örtlichen und zeitlichen Teilchenkoordinaten im Detektor, zu reduzieren. Im Zuge des bisherigen Emmy Noether-Projekts wurden zahlreiche technische Herausforderungen gelöst, sodass die Messung von Ionen-Interferenzen im Rahmen des Verlängerungsjahres durchgeführt werden kann. Ein Ionen-Interferometer erlaubt im Prinzip den erstmaligen direkten Nachweis des elektrischen Aharonov-Bohm Effekts. Wie detaillierte Simulationen zeigen, ist es dafür notwendig, mit drei Biprismen den Strahlengang im Interferometer kohärent auf 100 µm aufzuspalten. Die dafür notwendigen Komponenten, die bereits fertig gestellt sind, werden auch im Rahmen dieses Verlängerungsjahres implementiert. In einem weiteren experimentellen Aufbau wird die Dekohärenz eines elektronischen Superpositionszustandes durch Coulomb-Wechselwirkung nahe einer metallischen Oberfläche in Abhängigkeit von dessen Temperatur untersucht und mit derzeitigen Dekohärenztheorien verglichen. Die daraus bestimmte Dekohärenzzeit hat wichtige technische Anwendungen, beispielsweise für die Realisierung eines Quanten-Elektronenmikroskops.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen